Myonen, Botschafter aus einer anderen Generation. Verena Klose TU Dresden Institut fÿr Kern- u. Teilchenphysik

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Monica Pfeiffer
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1 Myonen, Botschafter aus einer anderen Generation Verena Klose TU Dresden Institut fÿr Kern- u. Teilchenphysik

2 bersicht Ein kurzer Ausflug vom Weltall in die Welt des unsichtbaren Kleinen Ein prominentes Teilchen stellt sich vor: Das Myon Ð Herkunft Ð Entdeckung Ð ein paar interessante Eigenschaften Ð Nachweis Ð Begegnungen im ÒAlltagÓ

3 Genauer Hinschauen É es gibt viele Fragen, Ÿber die es sich lohnt, nachzudenken... wie ist das Universum entstanden? wie funktioniert ein Ameisenvolk? wie funktioniert die DNA-Replikation? woraus besteht denn die DNA? É wie nah muss ich herangehen, um den Aufbau der Materie zu verstehen? É gibt es eine Grenze? ein kurzer Ausflug von unvorstellbaren Weiten in die unsichtbare NŠhe

4 Genauer Hinschauen

5 Genauer Hinschauen Die Welt des Gro en: Die Astrophysik versucht z.b. mit Teleskopen das Weltall zu erforschen 10 9 m AlltŠgliche Erfahrungen Die Welt des Kleinen: Forschung an Beschleunigern m

6 Ein kleines Quiz - Teil 1: Dem Kleinsten auf der Spur Kann man ein Proton noch teilen? Ð Ja Ð Nein Kann man ein Elektron noch teilen? Ð Ja Ð Nein Gibt es noch mehr Teilchen? Ð Ja Ð Nein : ÐSchlimme Nachricht! ÐDas kann doch gar nicht sein! ÐNa klar. Und, was ist dabei?

7 Bausteine der Materie Es lohnt sich, genauer ÒhinzusehenÓ Mit geschickten Experimenten findet man heraus, dass unsere Materie mehr enthšlt, als man mit blo em Auge sehen kann und noch mehr: Es gibt noch viel mehr Teilchen, die nicht in unserer ÒalltŠglichenÓ Materie vorkommen Kann man diesen ÒTeilchenzooÓ bis ins Detail verstehen? Vielleicht lernt man sogar noch mehr dabeié..

8 Ein kleines Quiz - Teil 2: Teilchenstrahlung im Alltag Wir werden jede Sekunde getroffen von... Ð gar nichts, ich wÿrde das doch merken Ð ~ 1 Teilchen Ð mehr als 100 Teilchen Ð mehr als 100 Milliarden Teilchen Manche Teilchen kann man nur auf der Erde messen, weil sie wahnsinnig schnell sind. Ð Unsinn. Je langsamer sich Teilchen bewegen, umso besser kann ich sie doch sehen. Ð Stimmt. WŠren manche Teilchen langsamer, wÿrden sie gar nicht auf der Erde ankommen.

9 Entdeckung der Hšhenstrahlung Reaktionen von kosmischer Strahlung mit der ErdatmosphŠre Dabei entstehen neue Teilchen Diese erreichen die ErdoberflŠche: einige 100 pro m 2 in jeder Sekunde meist Myonenµ Wie hat man das entdeckt??

wird durch Strahlung ionisiert (1900 wurde auch die RadioaktivitŠt

10 Entdeckung der Hšhenstrahlung Wie hat man das entdeckt?? Beobachtungen um 1900: die Luft wird ionisiert Bald war klar: die Luft wird durch Strahlung ionisiert (1900 wurde auch die RadioaktivitŠt entdeckt) Ziel: Messung der StŠrke der ionisierenden Strahlung Teilchenspur Gas Ionen werden erzeugt

11 Entdeckung der Hšhenstrahlung Wie hat man das entdeckt?? Idee: Die RadioaktivitŠt der Erde ionisiert die Luft StŠrke der Strahlung mÿsste mit steigender Hšhe abnehmen Messungen dazu:!eiffelturm < 300m die Abnahme der gemessenen Strahlung stimmte nicht mit den Berechnungen Ÿberein!V. Hess: 7 Ballonfahrten 1911/12 bis 5000m

deutliche Zunahme der IntensitŠt einzig plausible

12 Entdeckung der Hšhenstrahlung Menge der gemessenen Strahlung Abnahme der IntensitŠt bei niedrigen Hšhen dann deutliche Zunahme der IntensitŠt einzig plausible ErklŠrung: durchdringende Strahlung von oben Entdeckung der Hšhenstrahlung

entlang einer Spur werden MolekŸle ionisiert, an denen sich Tršpfchen

wird in Nebelkammeraufnahmen ein neues Teilchen gefunden Ð Masse des

13 Die Zeit vergeht É. es werden neue MessgerŠte entwickelt: Ð Nebelkammer (ŸbersŠttigtes Gas entlang einer Spur werden MolekŸle ionisiert, an denen sich Tršpfchen bilden kšnnen) Ð Photographische Platten Ð Geiger-MŸller-ZŠhlrohr 1937 wird in Nebelkammeraufnahmen ein neues Teilchen gefunden Ð Masse des Teilchens messbar durch: Tršpfchendichte KrŸmmung der Spur in einem Magnetfeld Nebelkammeraufnahme zur Entdeckung des Positrons

Òin der Mitte liegendó) Die Entdeckung passte zunšchst zu einer theoretischen Vorhersage des Pions.

14 Entdeckung des Myons 1937 wird in Nebelkammeraufnahmen ein neues Teilchen gefunden Ð 200x schwerer als ein Elektron aber leichter als das Proton! ÒMesotronÓ (griechisch f. Òin der Mitte liegendó) Die Entdeckung passte zunšchst zu einer theoretischen Vorhersage des Pions...aber einige Eigenschaften passten nicht... erst 1947 wird es als das Myon µ identifiziert Who ordered THAT?!?! wechselwirkt schwach mit atomaren Kernen es zerfšllt nur in ein Elektron und 2 Neutrinos Myon ist ein Òschweres ElektronÓ, eine neue Generation

LŠngenkontraktion: Bewegte Ma stšbe sind verkÿrzt man altert langsamer (Zwillingsparadoxon)

15 Schneller als É Einstein erlaubt? RelativitŠtstheorie im ÒTeilchenphysiker-AlltagÓ Zeitdilatation: Bewegte Uhren gehen langsamer LŠngenkontraktion: Bewegte Ma stšbe sind verkÿrzt man altert langsamer (Zwillingsparadoxon) Myonen sind nicht stabil sie zerfallen nach ~ sek. sie entstehen in ca. 10 km Hšhe sie fliegen im Mittel mit 99% der Lichtgeschwindigkeit ein kleines BeispielÉÉ

16 Ein kleines Quiz - Teil 3: WANTED: Myon! Dead or Alive! Myonen kšnnen durch 5 Stockwerke eines Hauses durchfliegen! Ð wahr Ð falsch Man kann Myonen in einer Kaffeekanne nachweisen! Ð wahr Ð falsch Oder in einem Schwimmbecken? Ð wahr Ð falsch

17 Die Funkenkammer Kosmische Strahlung Triggerdetektor + Triggerdetektor Durchgang eines Myons durch die gesamte Kammer (Signal vom Triggerdetektor)!kurzzeitig wird eine Hochspannung angelegt!diese entlšdt sich durch das ionisierte Gas in einem Blitz

18 Cerenkov Effekt Analog zum MachÕschen berschallkegel v Flugzeug < v Schall v Flugzeug = v Schall v Flugzeug > v Schall Bedingung: v Teilchen > c Medium (Lichtgeschwindigkeit im Medium) Das Teilchen strahlt Photonen ab (Cerenkov-Strahlung) Lichtkegel entsteht

19 Der Cerenkoveffekt findet sogar im Wasser statt: mit dem blossen Auge nicht unbedingt sichtbar "Benutzung von Photomultipliern: "Umwandlung von Photonen in Spannungspulse "diese kann man z.b. mit einem Oszilloskop/Voltmeter messen Myonen im Wasser

20 Das ganze in gro : Super-Kamiokande in Japan grosser Wassertank aussen mit Photomultipliern bestÿckt iese messen das Cerenkov-Licht 39m der Myonen Myonen im Wasser 42m

21 Myonen im Physikstudium im Keller des Andreas-Schubert-Baus an der TU Dresden: Studierende im 5. oder 6. Semester messen die Lebensdauer von Myonen (2.2x10-6 Sek.) wie? Myonen regen MolekŸle des Detektormaterials (Szintillator) an beim Abregen wird Licht emmitiert dieses wird wiederum mit einem Photomultiplier registriert

22 Myonen im Teilchendetektor Myonen durchdringen ein 5-stšckiges GebŠude... also auch... alle inneren Lagen eines grossen Teilchendetektors É. wir sehen uns heute Nachmittag wiederé..

23 Der Myon-Steckbrief Myon gro e Schwester des Elektrons stark Ÿbergewichtig: 200mal schwerer positiv oder negativ geladen (also Vorsicht!) sehr scheu bekannt seit 1937, heute dringend gesucht

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